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谷歌最近發表的一篇論文聲稱，一臺量子計算機完成了一項特定的計算，即使是世界上最快的經典超級計算機也會被難倒，這引發了比解答更多的問題。 其中最主要的問題是：當成熟的量子計算機到來時，我們準備好了嗎？
谷歌取得這一里程碑的背景是一個更為冷靜的現實：即使是今天最好的基於閘電路的量子計算機也只能聚集大約 50 個量子位元。 量子位元，或量子位，是量子計算中的基本資訊單元，類似於經典計算中的位元，但遠不止於此。
基於閘電路的量子計算機使用邏輯閘執行，但與經典計算機相反，它們利用了量子力學的固有屬性，如疊加、干涉和糾纏。 當前的量子計算機非常嘈雜且容易出錯，以至於其量子態中的資訊在幾十微秒內透過一種稱為退相干的機制以及透過有缺陷的閘電路而丟失。
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儘管如此，研究人員在朝著更可用的量子位元方向取得明顯的進展，儘管速度緩慢。 也許在 10 年或 20 年後，我們將實現可靠、大規模、容錯量子計算機的目標，這些計算機可以解決廣泛有用的問題。
當那一天到來時，我們應該用它們做什麼？
我們已經有幾十年的時間來準備。 在 20 世紀 80 年代初，美國物理學家保羅·貝尼奧夫發表了一篇論文，證明圖靈機（一種計算機）的量子力學模型在理論上是可行的。 大約在同一時間，理查德·費曼認為，在經典計算機上以任何有用的規模模擬量子系統將永遠是不可能的，因為問題會變得太大太大：所需的記憶體和時間將隨著量子系統的體積呈指數級增長。 在量子計算機上，所需的資源擴充套件將遠沒有那麼劇烈。
費曼真正啟動了量子計算領域，當時他建議研究量子系統的最佳方法是在量子計算機上模擬它們。 模擬量子物理學是量子計算機的殺手級應用。 它們不會幫助您在智慧手機上流式傳輸影片。 如果可以構建大型容錯量子計算機，它們將使我們能夠以前所未有的深度探測量子力學的奇異世界。 它遵循與我們在日常生活中觀察到的世界不同的規則，但卻支撐著一切。
在足夠大的量子計算機上，我們可以模擬量子場論，以研究宇宙最基本的性質。 在量子效應占主導地位的化學和奈米尺度研究中，我們可以研究材料的基本性質並設計新材料，以瞭解非常規超導性等機制。 我們可以模擬和理解新的化學反應和新化合物，這可能有助於藥物發現。
透過深入研究數學和資訊理論，我們已經開發了許多理論工具來完成這些事情，並且演算法比構建實際機器的技術更進一步。 這一切都始於量子計算機的理論模型，該模型確定了它將如何利用量子力學來執行有用的計算。 研究人員編寫量子演算法，以使用該模型執行任務或解決問題。 這些基本上是一系列量子門以及量子態的測量，提供所需的經典資訊。
例如，格羅弗演算法展示了一種執行更快搜索的方法。 肖爾演算法已經證明，大型量子計算機有一天將能夠破解基於 RSA 的計算機安全系統，RSA 是一種廣泛用於保護例如電子郵件和全球金融網站的方法。
在我的研究中，我和我的同事已經證明了非常有效的演算法來執行有用的計算和研究物理系統。 我們還在核磁共振量子資訊處理器中演示了最早完成的電子系統小規模量子模擬方法之一。 其他人也跟進了我們的工作，並且最近在當今可用的嘈雜中等規模量子計算機和實驗室實驗中模擬了簡單的量子場論。
當我們等待硬體趕上理論時，量子資訊科學的研究人員將繼續研究和實施對當前可用的嘈雜、充滿錯誤的機器有用的量子演算法。 但是我們中的許多人也在採取更長遠的眼光，將理論深入到量子物理學、資訊理論、複雜性和數學的交叉點，並開闢新的前沿領域去探索，一旦我們擁有量子計算機帶我們到達那裡。